基于S3C2410和UDAl34l的嵌入式音頻系統(tǒng)設計
關鍵詞：S3C2410；音頻系統(tǒng)；Linux；驅動程序；微處理器；UDAl34l
1 引言
近幾年，嵌入式數(shù)字音頻產品受到越來越多消費者的青睞。在MP3、手機等消費類電子產品中，人們對于這些個人終端的要求早已不限于單純通話和簡單的文字處理，高質量的音效是當前發(fā)展的重要趨勢。嵌入式音頻系統(tǒng)分為硬件設計和軟件設計。硬件部分采用基于ⅡS總線的音頻系統(tǒng)體系結構。軟件上，嵌入式Linux是一種完全開放且免費的操作系統(tǒng)。它支持多種硬件體系結構，內核運行高效、穩(wěn)定，而且源代碼開放，有著完善的開發(fā)工具，為開發(fā)人員提供了優(yōu)良的開發(fā)環(huán)境。
本文利用samsung公司的S3C2410型微處理器和Philips公司的UDAl341型立體聲音頻CODEC構造了嵌入式音頻系統(tǒng)，給出相關硬件電路的設計，介紹該音頻系統(tǒng)基于Linux2.4內核版本的驅動程序實現(xiàn)。
2 ARM920T及S3C2410簡介
ARM920T是ARM公司系列微處理器核的一種，它采用5階段管道化技術，同時配備了Thumb擴展、Embedded ICE調試技術和Harvard總線。在生產工藝相同的情況下，性能可達ARM7TDMI的2倍以上。S3C2410是Samsung公司采用0.18 μm工藝制造的ARM9TDMI核微處理器。它有獨立的16KB指令Cache、16KB數(shù)據(jù)Cache和MMU，這一特性使得開發(fā)人員可以直接將Linux移植到基于該處理器的目標系統(tǒng)中。
3 基于ⅡS總線的硬件框架實現(xiàn)
ⅡS(Inter-IC Sound)總線是Philips公司提出的串行數(shù)字音頻總線協(xié)議。它是一種面向多媒體的音頻總線，專用于音頻設備之間的數(shù)據(jù)傳輸，為數(shù)字立體聲提供序列的連接至標準編解碼器。ⅡS總線只處理聲音數(shù)據(jù)。其他信號(如控制信號)必須單獨傳輸。為了使電路的引出引腳盡可能少，ⅡS只使用了3條串行總線：提供分時復用功能的數(shù)據(jù)線、字段選擇線和時鐘信號線。
整個音頻系統(tǒng)的硬件部分主要是CPU和CODEC的連接與實現(xiàn)。本系統(tǒng)采用Philips基于ⅡS音頻總線的UDAl34l型音頻CODEC。該CODEC支持ⅡS總線數(shù)據(jù)格式，采用位元流轉換技術進行信號處理，具有可編程增益放大器(PGA)和數(shù)字自動增益控制器(AGC)。
S3C2410內置ⅡS總線接口，可直接外接8/16比特的立體聲CODEC。它還可以給FIFO通道提供DMA傳輸模式而非中斷模式，從而使數(shù)據(jù)發(fā)送和接收同時進行。該ⅡS接口有3種工作方式，可以通過設置ⅡSCON寄存器來選擇。本文介紹的硬件框架基于傳輸和接收模式。在這種模式下，ⅡS數(shù)據(jù)線將通過雙通道DMA同時接收和發(fā)送音頻數(shù)據(jù)，DMA服務請求由FIFO只讀寄存器自動完成。S3C2410支持4通道連接系統(tǒng)總線(AHB)和外圍總線(APB)的DMA控制器。表1列出S3C2410的各通道請求源。
為了實現(xiàn)音頻數(shù)據(jù)的全雙工傳輸，需要使用S3C2410的通道1和通道2：接收數(shù)據(jù)選擇通道1和發(fā)送數(shù)據(jù)選擇通道2。S3C2410的DMA控制器沒有內置的DMA存儲區(qū)域，因而程序中必須為音頻設備分配DMA緩存區(qū)，通過DMA直接將需要回放或錄音的數(shù)據(jù)放在內存的DMA緩存區(qū)中。
如圖1所示，S3C2410的ⅡS總線信號與U-DAl34l的ⅡS信號直接相連。L3接口的引腳L3MODE、L3CLOCK和L3DATA分別連接到S3-C2410的GPBl、GPB2和GPB3通用數(shù)據(jù)輸出引腳。UDAl34l對外提供兩組音頻信號輸入接口，每組包括左右2個聲道。
如圖2所示，2組音頻輸入在UDAl34l內部的處理存在很大差別：第一組音頻信號輸入后經過1個0 dB/6 dB開關后采樣送入數(shù)字混音器；第二組音頻信號輸入后先經過可編程增益放大器(PGA)，然后再進行采樣，采樣后的數(shù)據(jù)要再經過數(shù)字自動增益控制器(AGC)送入數(shù)字混音器。設計硬件電路時選用第二組輸入音頻信號。因為希望通過軟件的方法實現(xiàn)對系統(tǒng)輸入音量大小的調節(jié)，顯然選用第二組可以通過L3總線接口控制AGC來實現(xiàn)。另外，選擇通道2還可以通過PGA對從NIC輸入的信號進行片內放大。
由于ⅡS總線只處理音頻數(shù)據(jù)，因此UDAl34l還內置了用于傳輸控制信號的L3總線接口。L3接口相當于混音器控制接口，可以控制輸入/輸出音頻信號的低音及音量大小等。L3接口接在S3C2410的3個通用GPIO輸入輸出引腳上，利用這3個I/O口模擬L3總線的全部時序和協(xié)議。這里一定要注意L3總線的時鐘不是連續(xù)時鐘，它只在數(shù)據(jù)線上有數(shù)據(jù)時才發(fā)出8個周期的時鐘信號，其他情況下時鐘線始終保持高電平。
4 Linux下音頻驅動的實現(xiàn)
設備驅動程序是操作系統(tǒng)內核和機器硬件之間的接口，為應用程序屏蔽了硬件細節(jié)。設備驅動是內核的一部分，主要完成以下功能：設備初始化和釋放；設備管理，包括實時參數(shù)設置及提供對設備的操作接口；讀取應用程序傳送給設備文件的數(shù)據(jù)并回送應用程序請求的數(shù)據(jù)；檢測和處理設備出現(xiàn)的錯誤。
音頻設備驅動程序主要通過對硬件的控制實現(xiàn)音頻流的傳輸，同時向上層提供標準的音頻接口。筆者設計的音頻接口驅動向上提供2個標準接口：數(shù)字音頻處理(Digital Sound Processing-DSP)，負責音頻數(shù)據(jù)的傳輸即播放數(shù)字化聲音文件和錄音操作等；混音器(MIXER)，負責對輸出音頻進行混音處理，如音量調節(jié)、高低音控制等。這2個標準接口分別對應設備文件dev/dsp和dev/mixer。
整個音頻驅動的實現(xiàn)分為初始化、打開設備、DSP驅動、MIXER驅動和釋放設備等部分。
4.1 初始化、打開設備
設備初始化主要完成對UDAl34l音量、采樣頻率、L3接口等的初始化，并且注冊設備。通過函數(shù)audio_init(void)完成以下具體功能：
S3C2410控制端口(GPBl-GPB3)的初始化；
為設備分配DMA通道；
UDAl34l的初始化；
注冊audio設備和mixer設備。
打開設備由打開函數(shù)open()完成以下功能；
設置好ⅡS和L3總線；
準備好聲道、采樣寬度等參數(shù)并通知設備；
根據(jù)采樣參數(shù)計算出緩沖區(qū)大??；
分配相應大小的DMA緩沖區(qū)供設備使用。
4.2 DSP驅動的實現(xiàn)
DSP驅動實現(xiàn)了音頻數(shù)據(jù)的傳輸即播放和錄音的數(shù)據(jù)傳輸。同時提供ioctl對UDA134l中的DAC和ADC采樣率進行控制。采樣率的控制主要是讀寫UDAl34l內的采樣率控制寄存器，所以驅動的主要部分就是控制音頻數(shù)據(jù)的傳輸。
驅動中通過結構static audio_state來描述整個音頻系統(tǒng)的狀態(tài)，其中最主要的是2個數(shù)據(jù)流結構audio_in和audio_out。這2個數(shù)據(jù)流結構分別描述輸入音頻流和輸出音頻流的信息。通過對audio_in和audio_out的操作分別實現(xiàn)音頻的輸入和輸出(音頻的播放和錄音)，本驅動的主要內容是數(shù)據(jù)流結構的設計和實現(xiàn)。該結構應該包含音頻緩沖區(qū)的信息、DMA的相關信息、所用到的信號量及FIFO的入口寄存器的地址。
為了提高系統(tǒng)的吞吐量，系統(tǒng)使用DMA技術直接將需要回放或錄制的聲音存放在內核的DMA緩存區(qū)中，由于S3C2410的DMA控制器沒有內置的DMA存儲區(qū)域，因而驅動程序必須在內存內為音頻設備分配DMA緩存區(qū)。緩沖區(qū)設置是否合理非常關鍵。以write()函數(shù)為例，因為音頻數(shù)據(jù)量通常較大，而緩存太小容易造成緩存溢出，所以要采用較大的緩沖區(qū)。而要填充大的緩沖區(qū)，CPU就要一次處理大量的數(shù)據(jù)，這樣處理數(shù)據(jù)時間較長，容易造成延遲。筆者采用多個緩存的機制，將緩沖區(qū)分為多個數(shù)據(jù)段。數(shù)據(jù)段的個數(shù)和大小分別在數(shù)據(jù)流結構中指定。這樣把大的數(shù)據(jù)段分為幾個小段處理，每處理一小段數(shù)據(jù)就可以通過DMA發(fā)送出去。read函數(shù)也是如此，DMA每發(fā)來一小段數(shù)據(jù)就可以處理，不用等到大緩沖區(qū)都填滿才處理數(shù)據(jù)。這里還提供了ioctl接口給上層調用，這樣上層可以根據(jù)音頻數(shù)據(jù)的精度即數(shù)據(jù)流量來調整緩沖區(qū)數(shù)據(jù)段的大小和個數(shù)，以取得最好的傳輸效果。
4.3 MIXER驅動的實現(xiàn)
MIXER驅動只控制混音效果，并不執(zhí)行讀寫操作，所以MIXER的文件操作結構只實現(xiàn)了1個ioctl調用，提供給上層設置CODEC的混音效果。驅動中主要實現(xiàn)了1個結構體struct UDAl34l_codec。該結構體描述了CODEC的基本信息，主要是實現(xiàn)了CODEC寄存器的讀寫函數(shù)和混音的控制函數(shù)。MIXER文件操作結構中的ioctl就是調用U-DAl341_codec中的混音控制函數(shù)來實現(xiàn)的。
4.4 設備的卸載
設備的卸載由注銷函數(shù)close()來完成。注銷函數(shù)使用注冊時得到的設備號，同時釋放驅動程序使用的各種系統(tǒng)資源，如DMA和緩沖區(qū)等。
5 結束語
本文介紹了在嵌入式系統(tǒng)中構建基于ⅡS總線的音頻系統(tǒng)，實現(xiàn)音頻的播放和錄音的采集。具體講述了基于Samsung公司S3C2410型微處理器的CODEC硬件連接的實現(xiàn)及嵌入式Linux下音頻驅動的實現(xiàn)。該系統(tǒng)已經在基于S3C2410的開發(fā)平臺上得到了實現(xiàn)，可以順利進行音頻的播放和采集，并取得良好的效果。
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